农业机械机构轨迹创新设计的应用

万 霖，车 刚

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

农业机械机构轨迹创新设计的应用

万 霖，车 刚

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

农业机械化是现代农业发展的重要标志，农业机械技术创新就成为必然趋势。机构学是机械设计所依据的重要理论基础学科，要在现有基础上不断创新、发明、革新机构。通过对机构轨迹综合的机构优化原理和方法的研究，以旱地蔬菜移栽机分插机构为例，从机构轨迹生成方法实现机构优化设计，利用计算机模拟，达到创新的目的。

机构轨迹；创新设计；应用

农业机械化是现代农业发展的需要和必然趋势，是提升农业标准化，提高种植效益的必要手段，也是农业现代化的重要标志。农业机械技术的不断更新换代意味着农业科技的不断发展和农业生产水平的不断提高，农业机械技术创新已成为必然趋势。机构学是机械设计所依据的重要理论基础学科，其主要任务是设计出性能良好的机构，在现有基础上创新、发明、重要革新。因此，大多数机械产品的创新，归根结底是机构的创新。天津大学、北京理工大学、上海交通大学等许多高校都对机构创新理论与方法进行了深入的研究。浙江理工大学赵匀教授出版了《农业机械分析与综合》一书，对于农机创新设计提供了重要依据[1]。本文主要以蔬菜移栽机分插机构为例，从机构轨迹生成方法实现机构优化设计，在满足给定要求的前提下，以尽可能低的成本实现这样的运动，达到创新的目的。

1 轨迹综合的机构优化原理和方法

1.1 机构综合

在机构学中，优化与综合紧密相连。按照设计准则尽可能精确地规定所要完成的机构设计任务，根据预先决定采用机构来实现给定的运动，得到运动学和动力学给定值，进行型综合，获得机构结构形式，满足运动区域、几何要求。将优化方法应用于机构综合，在满足约束条件的前提下，通过对变量的不同取值，使其得到能满足所有要求的最优解。

1.2 机构轨迹综合具体流程

以农业机械中应用较为广泛的平面连杆机构为例介绍机构轨迹综合。实现轨迹机构是指能使连杆上某点沿着某给定轨迹运动的连杆机构。通常，轨迹是以离散点的形式给出的，因而设计实现轨迹机构的任务，在于所设计机构的连杆上某点能通过一系列给定的有序设计点。在设计中，机构轨迹创新主要有直接实现预期轨迹的机构创新设计，以及针对现有机构进行的轨迹创新设计。两类创新的相同之处在于，先通过轨迹分析找到目标轨迹的几何特征，建立设计方程和求解设计方程，给定设计点数目的选择与采用的逼近准则有关，将最优者选为最终解，否则创新失败。机构综合流程如图1所示。

图1 机构综合流程简化框图

2 移栽机分插机构辅助设计与优化

后插式分插机构是改进的蔬菜移栽机的核心工作部件，采用的是曲柄摇杆机构。其性能决定着移栽质量与工作可靠性，其参数的选择既要满足运动轨迹，又要保证旱地栽植的行业标准和回程不推苗的要求，还要满足栽植臂部不产生运动干涉的要求。设计时，通过模拟绝对运动轨迹优化出一组较佳的设计参数，这组设计参数是经过运动分析确定的最优值[2]。为了保证分插机构正常工作，使插秧机有较好的工作性能，进行分插机构的机构参数辅助设计及优化就显得尤为重要。

2.1 分插机构的结构参数特点和优化目标

对分插机构的优化，不仅是对其工作轨迹的优化，还要考虑栽植臂的取苗、推苗位置[3]，同时还要考虑整个轨迹的形状及动力学分析的结果。根据农艺要求，旱地栽植机的分插机构的运动轨迹必须达到以下目标才能具有实际应用价值：

1)为保证移栽的钵苗直立度，取秧器取苗时与水平线的夹角(取苗角)β0应在5°～20°之间；

2)栽植臂的轨迹形成的穴口在30～50mm之间，穴口过大会导致所移栽钵苗倒伏；

3)在切割式取苗器完成送苗后，推苗器要完成推苗动作；

4)要求取苗轨迹线几乎与苗箱垂直以减少伤苗现象；

5)推苗时与水平线的夹角(推苗角)β1应在60°～75°之间；推苗角和取苗角的差值应保证在δ0=55°～60°之间；

6)为使分插机构能同时适应移栽大苗和小苗，并保证移栽大苗时不会出现“搭桥”现象，栽植臂的尖点绝对运动轨迹必须达到一定高度，以290～330mm为宜。

2.2 结构参数优化

利用已建立的运动学模型，综合考虑分插机构取苗器的取苗角和推苗角、轨迹高度对蔬菜钵苗的影响,以及约束条件来选取合理的结构参数；在计算机上调整设计参数，使机构满足预定的运动要求和优化目标，获得多种可能的方案；再通过相关的分析，评定优劣，选取合理方案[4-7]。

用优化得到的参数(β0，β1，δ0等)来完成装配图和各零件图的设计。当已知参数重新输入时，运动轨迹将立即重显，各目标数据亦将立即重新得到。后插式曲柄摇杆分插机构辅助设计与优化软件的结构框图如图2所示。

利用编写的运动学分析软件，对建立的模型进行理论模拟，利用VB建立可视化界面，在计算机调整设计参数，确定可行方案，使机构满足预订的运动要求。再经过必要的分析，进一步评定优劣，选取合理方案。设计的参数包括：曲柄的长度与转速，机架的位置，摇杆的长度，栽植臂的长度，取苗器尖点到曲柄铰链点的距离；目标数据包括：运动特性参数，结构参数；显示的图形包括：取苗器尖点的相对、绝对运动轨迹，取苗及推苗时的姿态及位置等。最终确定优化方案，检验运动干涉情况等。

图2 辅助设计和优化软件流程图

经过优化后的轨迹不会产生压苗现象。

同时，计算得取苗角β0=13.20°，推苗角β1=68.08°，两角差值δ0=55.50°，绝对运动轨迹高度达到300mm，可以满足蔬菜钵苗移栽要求。

在设计优化过程中，要始终注意取苗角、推苗角的大小，以保证移栽后钵苗的直立度。由于分插机构的参数具有模糊性、交互性的特点，在某一范围内修改某一个参数，该参数可能会对两个甚至两个以上的要求产生影响。所以有必要分析各个参数对移栽轨迹的影响。

3 结束语

随着生产的发展以及机械化、自动化程度的提高，对机构运动规律和动力特性都提出了更高的要求，要充分利用其良好性能，改善不良特性，特别是利用人机对话，缩短设计时间，加快解决生产实际需要。要求设计者始终创造性地工作，积累丰富的知识和经验，根据给定的设计任务及约束条件找到最优解。同时还要不断的自我创新、自我提高，关注社会发展与市场需求，钻研新技术。

[1] 赵匀. 农业机械分析与综合[M].北京：机械工业出版社，2010:135-156.

[2] 赵匀．农业机械计算机辅助分析和设计[M]．北京:清华大学出版社，1998:89-97．

[3] 李革，赵匀，俞高红．椭圆齿轮行星系分插机构的机理分析和计算机优化[J]．农业工程学报，2000(4)：39-43．

[4] 张春林，曲继方，张美鳞．机械创新设计[M]．北京：机械工业出版社，1999：45-80．

[5] 俞高红，陈志威，赵匀，等．椭圆—不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的研究[J]．机械工程学报，2012(7)：32-39．

[6] 俞高红，谢仁华，赵匀. 椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构运动分析与试验[J].农业机械学报，2008，39(5)：45-48，29.

[7]李革，陈孝明，俞高红，等. 基于VB的旋转式分插机构运动干涉判别方法[J].农业机械学报，2007，38(11)：44-47.

Application on Agricultural Machinery Mechanism Path Creative Design

WAN Lin, CHE Gang

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Agricultural mechanization is an important symbol of modern agriculture development agricultural machinery of technology innovation the inevitable trend.Institutional learning is an important theoretical basis for the mechanical on the basis of the existing institutions, inventions, innovations of new institutions. Through the study of the principles and methods of institutional trajectory comprehensive institutions, with a mechanism to generate methods to achieve institutional trajectory optimization design, upland transplanting of vegetable transplanter transplanting mechanism been studied on a computer to achieve the purpose of innovation.

mechanism path；creative design; application

2014-04-21；修改日期: 2015-01-16

黑龙江省高等学校教改工程基金资助项目(JG2014010917)；黑龙江省高等教育教学改革基金资助项目；黑龙江八一农垦大学教研基金资助项目(KXJ08083)；黑龙江八一农垦大学研究生教改基金资助项目(JGXM_BYND_201304)。

万 霖(1971-),女，博士, 教授，研究方向：机械设计及理论。

TH

Bdoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.006